Efeitos proporcionados à biomassa em sistemas de tratamento de esgostos por lodos ativados pelos fármacos levamisol, trimetropim e sulfadiazina

FERNANDA FAGALI PLAZZA

i

Efeitos proporcionados à biomassa em sistemas de

tratamento de esgotos por lodos ativados pelos fármacos

levamisol, trimetropim e sulfadiazina.

Campinas

2013

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL, ARQUITETURA E URBANISMO

Fernanda Fagali Plazza

Efeitos proporcionados à biomassa em sistemas de tratamento de esgotos por lodos ativados pelos fármacos levamisol, trimetropim e sulfadiazina.

Dissertação apresentada à Comissão de Pós Graduação da Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da Universidade Estadual de Campinas, como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil, na área de concentração de Saneamento e Ambiente.

Orientador: Alexandre Nunes Ponezi

__________________________________

Campinas 2013

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Resumo

PLAZZA, Fernanda Fagali. Efeitos proporcionados à biomassa em sistemas de

tratamento de esgotos por lodos ativados pelos fármacos levamisol, trimetropim e sulfadiazina

.

A biomassa de uma estação de tratamento de lodo ativado é capaz de se adaptar ao efluente recebido, mesmo quando esse contém contaminantes específicos no meio. Fármacos são considerados contaminantes emergentes e lançados no sistema de tratamento a partir de descargas de estações de tratamento de águas residuais pela indústria (pontual) e na aplicação no solo pelo esterco (difusa) gerado pelos animais, como uma mistura de metabolitos e formas ativas. Para a realização deste trabalho foram escolhidos os antibióticos: sulfadiazina e trimetropim, e o anti-helmíntico: levamisol; devido: produção em larga escala e efeito quimioterápico provável na biomassa de estações de tratamento de efluentes. Os ensaios realizados conforme OECD: 209/2010 inibição da respiração do lodo ativado e 303/2001 simulação de tratamento com lodos ativados, mostraram que a taxa de inibição do lodo (ensaio 209/2010) foi proporcional à concentração utilizada (0,005 mg L-1 a 20,0 mg L-1) para a sulfadiazina, levamisol e trimetropim respectivamente tanto para o lodo com origem de estação doméstica convencional como para o lodo de estação de efluentes da industria farmacêutica (industrial), sendo este último o que apresentou menor inibição. Os ensaios 303/2001 realizados nas concentrações de 1, 5 e 10 mg L-1 mostraram que o lodo industrial apresentou os melhores resultados de biodegradação sendo observada uma remoção abaixo do limite de detecção da cromatografia gasosa acoplada ao espectro de massas (CG-MS) para o levamisol e trimetropim. A sulfadiazina não foi biodegradada durante o processo. Ensaios de toxicidade do efluente gerado pelo ensaio 303/2001 utilizando Vibrio fisheri como organismo-teste mostraram que estes não apresentam toxicidade.

vii ABSTRAT

astewater industry (off), and applied the manure into the soil (diffuse) enerated by animals, such as a mixture of metabolites and active forms. For this work The biomass of a wastewater treatment activated sludge is able to adapt to the effluent, even when it contains specific contaminants in the middle. Emerging Drugs are considered contaminants and discharged into the treatment discharges from sewage treatment plants w

g

were chosen drugs sulfadiazine, trimethoprim and levamisole due to: large-scale production and chemotherapeutic effect likely in biomass treatment plant effluents and domestic industry. Tests performed OECD 209/2010 respiration inhibition of activated sludge and 303/2001 simulating activated sludge treatment, showed that the rate of inhibition of the sludge test (209/2010) was proportional to the concentration used (0.005 mg to 20.0 mg L-1_{) for sulfadiazine, levamisole, and trimethoprim respectively both for}

domestic and industrial sludge, the latter being the one with less inhibition. The tests 303/2001 performed at concentrations of 1, 5 and 10 mg L-1 showed that the industrial sludge showed the best results being observed biodegradation removal below the limit of detection (GC-MS) for levamisole, and trimethoprim. Sulfadiazine was not biodegraded in the process. Toxicity tests of the effluent generated by the test 303/2001Vibrio fisheri using as test organisms showed that these did not exhibit toxicity.

viii

SUMÁRIO

. Introdução ... 1

4.6 Metodologia OECD 303/2001- teste de simulação de tratamento em lodo aerado ... 35

4.6.1 Analises de Cromatografia ... 36

4.6.2 Teste de Toxicidade Microtox® ... 37

5. Resultados e Discussão ... 40

5.1 Avaliação do efluente industrial ... 40

5.2 Ensaio de inibição de respiração ... 40

5.2.1 Ensaios de inibição de respiração com Sulfadiazina ... 41

5.2.2 Ensaios de inibição de respiração com Trimetropim ... 42

5.2.3 Ensaios de inibição de respiração com Levamisol ... 44

5.3 Teste simulação de tratamento em eatores de lodo ativado... 45

5.3.1 Ensaios com Sulfadiazina lodo ativado industrial (LIND). ... 45

5.3.2 Ensaios com Sulfadiazina lodo ativado doméstico (LDOM). ... 49

5.3.3 Ensaios com Trimetropim lodo ativado industrial (LIND). ... 52

1 2. Objetivos ... 4 3. Revisão bibliográfica ... 5 3.1 Tratamento biológico ... 5 3.1.1 Bactérias ... 8 3.1.2 Protozoários... 10

3.1.3 Oxidação da matéria orgânica ... 11

3.1.4 Biomassa – inoculo – lodo ... 13

3.1.5 Caracterização do lodo ... 14

3.1.6 Sistema de tratamento de efluente por lodo ativado ... 15

3.1.7 Microbiologia de lodos ativados ... 17

3.2 Fármacos ... 20

3.2.1 Levamisol ... 21

3.2.2 Sulfadiazina ... 23

3.2.3 Aspectos ambientais e ecotoxicológicos ... 25

3.2.4 Trimetropim... 27

3.2.4.1 Aspectos ambientais e ecotoxicológicos ... 29

4. Materiais e Métodos ... 31

4.1 Fármacos ... 31

4.2 Inóculo ... 31

4.3 Branco... 31

4.4 Ensaios de biodegradabilidade ... 32

4.5 Metodologia OECD 209/2010 - Lodo ativado – teste de inibição de respiração. ... 33

ix

5.3.4 Ensaios com Trimetropim doméstico (LDOM). ... 54

5.3.5 Ensaios com Levamisol lodo ati ado industrial (LIND). ... 56

7. lodo ativado v 5.3.6 Ensaios com Levamisol lodo ativado doméstico (LDOM). ... 58

5.3.7 Ensaios de toxicidade com Vibrio fisheri ... 60

6. Conclusões ... 62

x

Dedico à família presente e futura.

xi

A

Obrigada Deus por tudo que o Senhor me p porciona!

Especialmente ao Professor Alexandre e eq ipe do laboratório da microbiologia.

Aos parceiros de trabalho, incentivadores e grandes colaboradores: Matusa, José Maria, Equipe EHS e todos que direta u indiretamente contribuíram para essa realização.

Querida Rafaela pela doação de tempo e co hecimento. Amiga Daniele pelo incentivo e carinho nos momentos difíceis.

Agradeço ao Adilson Sartoratto do Laborat io de Química Orgânica e Farmacêutica pela paciência e suporte nas análises e ovani Brota do Labsan da FEAGRI por compartilhar seu conhecimento e equipame os.

Equipe da SANASA - ETE Samambaia pelo ronto atendimento sempre que solicitada. Agradeço também aos meus amigos, paren s, meus pais e querido Leo por todo zelo e paciência nesse período.

gradecimento ro u o n ór Gi nt p te

xii

vida é aquela que a gente saboreia quando consegue, verdadeiramente, fazer a felicidade de alguém.”

Mokiti Okada

EPÍGRAFE

“Todo ser humano precisa saber que a maior felicidade que se pode sentir na

xiii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Predominância relativa de microrg smos durante o tratamento aeróbio dos esgotos. Fonte: Von Sperling (1996) ... 7 Figura 2 - Assimilação das matérias solúveis e em suspensão. ... 10 Figura 3 - Representação esquemática das inter-relações entre absorção, distribuição, ligação, metabolismo e excreção de um fármaco em seu local de ação. ... 21 Figura 4 – Gráfico do percentual de inibição respiração dos lodos ativados industrial (LIND) e doméstico (LDOM) em função das oncentrações da sulfadiazina no teste. ... 41 Figura 5 – Gráfico do percentual de inibição respiração dos lodos ativados industrial (LIND) e doméstico (LDOM) em função das ntrações do trimetropim no teste. .... 43 Figura 6 - Gráfico do percentual de inibição e respiração dos lodos ativados industrial (LIND) e doméstico (LDOM) em função das oncentrações do levamisol no teste. ... 44 Figura 7 - Remoção de DQO (inicial e final) utilizando o lodo industrial na presença de sulfadiazina nas concentrações 1,0; 5,0 e 10 mg L-¹. ... 46 Figura 8 - Quantificação da sulfadiazina por romatografia (inicial e final) no efluente LIND nas concentrações de 1,0, 5,0 e 10 mg L-¹ ... 48 Figura 9 - Remoção de DQO (inicial e final) utilizando o lodo doméstico na presença de sulfadiazina nas concentrações 1,0; 5,0 e 10 mg L-¹ ... 49 Figura 10 – Quantificação da sulfadiazina po cromatografia (inicial e final) no efluente LDOM nas concentrações de 1,0, 5,0 e 10 m L-1 ... 51 Figura 11 - Remoção de DQO (inicial e final utilizando o lodo industrial na presença de

trimetropim nas concentrações 1,0; 5,0 e 10 m 2

Figura 12 – Quantificação do trimetropim por cr

do LIND nas concentrações de 1,0, 5,0 e 10 m 53

Figura 13 - Remoção de DQO (inicial e final) u ça

de trimetropim nas concentrações 1,0; 5,0 e 1 .. 54

Figura 14 – Quantificação do trimetropim por c fluente

LDOM nas concentrações 1,0, 5,0 e 10 mg L-1 ... 55

Figura 15 – Remoção de DQO (inicial e final) utilizando o lodo industrial na

levamisol nas concentrações 1,0; 5,0 e 10 mg L-¹ ... 56 Figura 16 – Quantificação do levamisol por c omatografia (inicial e final) no efluente LIND nas concentrações 1,0, 5,0 e 10 mg L- ... 57 Figura 17 – Remoção de DQO (inicial e fina tilizando o lodo doméstico na presença de levamisol nas concentrações 1,0; 5,0 e 10 mg L-1 ... 58 Figura 18 – Quantificação do levamisol por c omatografia (inicial e final) no efluente do LDOM nas concentrações 1,0, 5,0 e 10 mg L ... 59

ani de c de conce d c c r g ) g L-¹. ... 5 omatografia (inicial e final) no efluente g L-1. ... tilizando o lodo doméstico na presen 0 mg L-1 ...

romatografia (inicial e final) no e ... presença de r ¹ l) u r -1

xiv

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Principais microrganismos presentes nos esgotos, de importância no

tratamento biológico ... 6

Tabela 2 Fatores do decaimento bacteriano. ... 13

Tabela 3 Agrupamento de organismos de diversos gêneros presentes nos sistemas de lodos ativados ... 19

Tabela 4 Principais características do Levamisol ... 22

Tabela 5 Principais características da Sulfadiazina ... 24

Tabela 6 Principais características do Trimetropim. ... 28

Tabela 7 Parâmetros de quantificação do equipamento ... 37

Tabela 8 Diluições utilizadas no ensaio de toxicidade ... 38

Tabela 9 Interpretação aproximada do resultado do Índice Volumétrico do Lodo ... 47

Tabela 10 Resultados com organismo teste Vibrio fischeri dos fármacos levamisol, sulfadiazina e trimetropim obtidos no ensaio Microtox® ... 60

xv

LISTAS DE AB EVIATURAS

FDA Food and Drug Administration dos Estados Unidos CG-MS Cromatografia Gasosa acoplada ao espectro de massas H Hidrogênio

H2O Água

HSDB Hazardous Substance Data Bank TIC Carbono Inorgânico Total IVL Índice Volumétrico do Lodo

LDOM Lodo de procedência de ETE doméstica LIND Lodo de procedência de ETE i ial N Nitrogênio

O Oxigênio

OD Oxigênio Dissolvido

OECD Organisation for Economic Co- peration and Development P Fósforo

PABA Ácido para-aminobenzóico pH Potencial de Hidrogênio RNA Acido Ribonucléico SIM (Selected Ion Monitoring)

SS Sólidos Suspensos

R

ATP Adenosina trifosfato C Carbono

CO 2 Gás carbônico

CPQBA Centro Pluridisciplinar de Pesquisas Químicas, Biológicas e Agrícolas DBO Demanda Bioquímica de Oxigênio

DNA Ácido Desoxiribonucleico DQO Demanda Química de Oxigênio

EC Concentração de Efeito

ETE Estação de Tratamento de Efluente

ndustr

xvi SST Sólidos Suspensos Totais

SSV Sólidos Suspen

ThIC Carbono Orgânico Teórico l posta

adual de Campinas sos Voláteis

TOC Carbono Orgânico Tota

tR Tempo de res

UNICAMP Universidade Est

1

.

os e produtos químicos diversos na agricultura e

uá an , inseticidas), aqüicultura (antibióticos e fungicidas)

s ativos), tornou-se uma crescente

u ação potencial de causar efeitos

desejáveis ao meio ecológico principalmente o aquático e com possibilidade de atingir s humanos por contaminação indireta.

O tratamento do esgoto em Estações de ratamento de Efluentes (ETE) geralmente tem como principal finalidade a remoção de patogênicos e nutrientes. Fármacos e outros químicos podem ser removidos du o tratamento, mas sua eliminação é variada (AGA, 2008).

Recentemente, o foco da análise ambienta deslocou-se dos contaminantes clássicos, tais como os poluentes orgânicos pers tentes, em direção as "contaminantes emergentes" detectados em vários am ientes. Contaminantes emergentes são definidos como compostos que não são atualmente abrangidos pelos regulamentos existentes da qualidade da água, não fora eviamente estudados, e tem um alto potencial de ameaça aos ecossistemas am ientais e a saúde humana. Estão inclusos nesta lista os produtos farmacêuticos, d as de abuso e produtos de cuidados pessoais (BILA e DEZOTTI, 2003).

Segundo publicação de Aga (2008), são tectadas concentrações variáveis destes contaminantes nos efluentes brutos e trata os. Estas concentrações podem variar de ng L-1 a µg L-1. Vários estudos têm avaliado emoção desses fármacos e produtos de cuidados pessoais em maior grau de detalh s, mas um indicador do total de remoção e eficiência das estações de tratamento de efl entes ainda não são claros.

1

Introdução

Nos últim anos o aumento do uso d pec ria ( tibióticos, carrapaticidas

e na saúde humana (diversos tipos de composto

preoc p da comunidade científica devido ao seu in o T rante l is b m pr b rog de d a r e u

2

Embora os tratamentos de esgoto possam eliminar alguns compostos ou substâncias or processos de biodegradação ou adsorção ao lodo os atamentos não removem completamente a atual recarga dos compostos emergentes

stejam presentes no efluente em partes por ilhão ou partes por trilhão, eles podem ser encontrados nos lodos em concentrações

a humana e veterinária para prevenir ou tratar infecções acterianas. Além disso, aplicações veterinárias incluem o uso de agentes

ara realização desse estudo foi levado em consideração à utilização em larga escala

mais, onde as ubstâncias são transformadas apenas parcialmente no corpo e, portanto, são excretados como uma mistura de metabolitos e também formas ativas.

químicas do efluente liquido p tr

no ambiente (AGA, 2008).

Pesquisas mostram compostos farmacêuticos sendo encontrados nas estações de tratamento de efluentes, apesar de oxidados por processos de desinfecção, degradação biológica ou a sorção em materiais sólidos como: partículas coloidais, compostos húmicos e lodo. Embora os fármacos e

b

muito mais elevadas (partes por milhão) (BILA e DEZOTTI, 2003).

Dentre os compostos farmacêuticos, os agentes antimicrobianos são amplamente utilizados na medicin

b

antimicrobianos como aditivos alimentares em doses subterapêuticas para melhorar a eficiência alimentar e promover o crescimento (AGA, 2008).

Antibióticos são um dos grupos mais problemáticos dos fármacos, uma vez que a sua utilização a mais de quatro décadas tem levado a seleção de bactérias resistentes, que pode comprometer a eficácia de antibióticos para o tratamento de infecções humanas ou mesmo animal (BILA e DEZOTTI, 2003).

P

de medicamentos de efeitos antibióticos e anti-helmínticos para uso na medicina veterinária (sulfadiazina, trimetropim e levamisol). Estas substâncias podem entrar no ambiente por meio de um grande número de vias, mas principalmente a partir de descargas de estações de tratamento de águas residuais pela indústria produtora (contaminação pontual) e esgoto (contaminação difusa) gerado pelos ani

3

o um anti-helmíntico utilizado em medicamentos para o ombate aos vermes.

avagem nos tanques e reatores)

ado está situada na região de Campinas, e m como atividade principal a produção de vacinas e medicamentos farmacêuticos A sulfadiazina e o trimetropim são fármacos, com características antibióticas largamente utilizadas no Brasil, tanto na indústria farmacêutica humana quanto veterinária. O levamisol é conhecido com

c

O critério usado para determinar a escolha desses fármacos foi:  Princípio ativo dos fármacos;

 Quantidade, em litros de medicamentos produzidos, tendo como componentes da fórmula esses princípios ativos;

 Número de lotes produzidos (o que determina o numero de l

Este trabalho foi elaborado com a proposta de avaliação do comportamento das biomassas de sistemas de tratamento de esgoto sanitário doméstico e industrial (lodos ativados) frente a um efluente contendo fármacos de uso veterinário com propriedades antibióticas e anti-helmínticas.

Para o desenvolvimento da pesquisa, a biomassa foi coletada de duas fontes distintas: lodo de uma estação de tratamento de efluentes industrial onde este apresenta características de adaptabilidade às substâncias em estudo, o qual será denominado LIND. A empresa que forneceu o lodo adapt

te

para uso veterinário. A mesma empresa nos forneceu as matrizes de estudo dos fármacos em questão. O lodo doméstico coletado é de origem de uma estação de tratamento de esgoto do município de Campinas e será denominado LDOM. A Estação de Tratamento de Esgoto Samambaia está localizada na região Sudeste de Campinas numa área de 7,0 hectares. Esta estação tem a capacidade de tratar até 150 litros de esgoto por segundo de uma região onde vivem cerca de 60 mil habitantes.

4

te trabalho foi avaliar o potencial de biodegradação ou remoção as substâncias: levamisol, trimetropim e sulfadizina por meio de ensaios de

omic Co-operation and mpacto em estações de tratamento de esgoto.

ento para possíveis intervenções em cenários

Para se alcançar estes objetivos foi avaliado o grau de capacidade de adaptação de

o tratamento e paralelamente avaliar a toxicidade da ubstância por meio de organismos-teste Vibrio-fischeri.

2. Objetivos

O objetivo principal des d

biodegradabilidade previstos pela OECD (Organisation for Econ Development), a fim de se avaliar seu i

Outro propósito do estudo é ter embasam

futuros na Estação de Tratamento de Efluentes Industrial, buscando melhorias para o processo de tratamento do efluente da indústria farmacêutica.

uma biomassa específica em sistemas de lodos ativados (domestico e industrial) com a introdução desses fármacos por metodologias internacionalmente reconhecidas que avaliam taxa de respiração e inibição do lodo e a degradação direta do fármaco, com características da evolução d

5

3. Revisão bibliográfica

da matéria orgânica em

fenômenos ocorrem, mas a iferença é que há em paralelo a introdução de tecnologia onde propicia um ambiente om condições controladas (controle de eficiência) e em taxas mais elevadas (solução

ais compacta).

compreensão da microbiologia do tratamento dos esgotos é, portanto essencial. Os rincipais organismos envolvidos no tratamento dos esgotos são as bactérias, rotozoários, fungos, algas e helmintos. Destes, as bactérias são, sem dúvida, os mais

portantes na estabilização da matéria orgânica.

população microbiana envolvida nos processos aeróbios é constituída basicamente or bactérias e protozoários. Outros organismos, como fungos e rotíferos podem ser ventualmente encontrados, mas sua importância é menor. A capacidade dos fungos e sobreviver em faixas de pH reduzidas e com pouco nitrogênio faz com que os

3.1 Tratamento biológico

O principio básico do tratamento biológico segundo Von Sperling (1996b) consiste em que o tratamento do esgoto ocorra inteiramente por mecanismos biológicos. Estes processos biológicos reproduzem de certa maneira, os processos naturais que ocorrem em um corpo d’água após o lançamento de despejos.

Segundo este mesmo autor, no corpo d’água, a matéria orgânica é convertida em produtos mineralizados inertes por mecanismos puramente naturais, caracterizando assim o chamado fenômeno da autodepuração. A introdução

um corpo d’água resulta, indiretamente, no aumento do consumo de oxigênio dissolvido. Isso se deve ao processo de estabilização da matéria orgânica realizado pelas bactérias decompositoras presentes no meio, as quais utilizam o oxigênio disponível no meio liquido para sua respiração. Assim os compostos orgânicos são convertidos em compostos inertes e não prejudiciais no ponto de vista ecológico. Em uma estação de tratamento de esgotos os mesmos

d c m A p p im A p e d

6

ento de certos despejos industriais (VON PERLING, 1996b).

o entanto, fungos de estruturas filamentosas podem prejudicar a sedimentabilidade do

is microrganismos no tratamento de esgotos são apresentados na Tabela 1.

mesmos possam ser importante no tratam S

N

lodo, reduzindo a eficiência do processo. Os rotíferos são eficientes no consumo de bactérias dispersas e pequenas partículas de matéria orgânica. De maneira geral, pode-se dizer que a diversidade de espécies dos vários microorganismos componentes do lodo é baixa (VON SPERLING, 1996b). Os principa

Tabela 1 Principais microrganismos presentes nos esgotos, de importância no

tratamento biológico

Microrganismo Descrição

Bactérias Organismos unicelulares

Apresentam-se em várias formas e tamanhos

São principais responsáveis pela estabilização da matéria orgânica Algumas bactérias são patogênicas

Protozoários Organismos unicelulares sem parede celular

A maioria é aeróbia ou facultativa

Alimentam-se de bactérias, algas e outros microorganismos

São essenciais no tratamento biológico para a manutenção de um equilíbrio entre os diversos grupos

Alguns são patogênicos

Fungos Organismos aeróbios, multicelulares, não fotossintéticos, heterotróficos

São também de grande importância na decomposição da matéria orgânica Podem crescer em condições de baixo pH

Fonte: Silva e Mara (1979), Tchobanoglous e Schroeder (1985), Metcalf e Eddy (1991)

Os Principais microorganismos envolvidos e sua predominância em relação ao tempo variam conforme a Figura 1, que apresenta a seqüência de predominância relativa dos principais microorganismos envolvidos no tratamento aeróbio de esgotos.

7

- Predominância relativa de microrganismos durante o tratamento aeróbio dos otos. Fonte: Von Sperling (1996)

Figura 1

esg

As interações ecológicas na comunidade microbiana fazem com que o aumento de um grupo de microorganismos seja acompanhado pelo declínio de outra população, face a característica seletiva exercida pelo meio em transformação. Imediatamente após a introdução dos esgotos no reator biológico, a Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) remanescente (matéria orgânica) encontra-se em seu ponto máximo. O número de bactérias é ainda reduzido, e os protozoários do tipo ameba podem ser encontrados.

Esses são ineficientes na competição por alimento, sendo encontrados principalmente no inicio do funcionamento de reatores. Devido a grande disponibilidade de substrato, a população bacteriana cresce. As amebas são então substituídas por protozoários flagelados que, devido a sua mobilidade são mais eficientes na competição pelo alimento disponível. Estes protozoários flagelados são característicos de sistemas de alta carga. Com o passar do tempo e o decréscimo do material orgânico disponível, protozoários ciliados substituem os flagelados, já que os primeiros são capazes de sobreviver a concentrações menores de alimentos. Este ponto caracteriza a operação dos sistemas de carga convencional, onde convive um grande numero de ciliados de vida livre, o numero máximo de bactérias e uma baixa concentração de matéria

orgânica (DBO remanescente). Em longos tempos de retenção, característicos dos sistemas de baixa carga, a matéria orgânica disponível é mínima, e as bactérias são consumidas por ciliados e rotíferos (MCKINNEY, 1962).

3.1.1 Bactérias

As bactérias são organismos unicelulares procariontes (ausência de núcleo definido), podendo apresentar-se isoladamente ou em agregados, formando colônias de aspecto característico, como filamentosas, em formas de cachos e outros. A classificação das bacté ias quanto à forma inclui as seguintes principais categorias: cocos, bastonetes e r espir /espiroquetas. O tamanho da célula varia com o grupo: 0,5 a 1,0 µm de diâmetro io para os cocos; 0,5 a 1,0 µm de largura por 1,5 a 3,0 µm de comprimento para os bastonetes; 0,5 a 5,0 µm de largura por 6 a 15 µm de comprimento para as espiraladas. As bactérias possuem ainda uma parede celular mais ou menos rígida, e podem apresentar ou não flagelos para locomoção. A sua reprodução se dá principalmente por meio de reprodução binária, além de formação de esporos e reprodução sexuada (minoria) (VON SPERLING, 1996b).

Considerando que a principal função do sistema de tratamento é a remoção de DBO, as bactérias heterotróficas são os principais agentes deste mecanismo. No entanto além de desempenharem o papel na depuração da matéria orgânica, as bactérias possuem a

8

propriedade de se aglomerar em unidades estruturais, como flocos, biofilmes ou grânulos (JORDÃO e PESSOA, 1995).

Além da remoção da matéria orgânica carbonácea, o tratamento do esgoto pode incorporar ainda outros objetivos, a consecução dos quais depende de grupos específicos de bactérias. Assim, pode-se ter também, entre outros, os seguintes fenômenos:

 Conversão da amônia a nitrito (nitrificação): bactérias autótrofas quimiossintetizantes;

9

 Conversão de nitrito a nitrato (nitratação): bactérias nitricas quimiossintetizantes;

 Conversão de nitrato a nitrogênio gasoso (desnitrificação): bactérias heterótrofas facultativas;

Aproximadamente 80% da célula bacterianas são compostas por água e 20% de matéria seca. Da matéria seca, 90% são orgânicas e 10% inorgânica. Fórmulas amplamente utilizadas para caracterizar a fração orgânica das células bacterianas são:

 C5H7O2N sem incluir o fósforo  C60H87O23N12P incluindo o fósforo (METCALF e EDDY, 1991).

Segundo METCALF e EDDY (1991) em qualquer das duas formulações, a relação C:H:O:N é a mesma. Um aspecto importante é de que todos estes componentes devem ser obtidos do meio, e a falta de algum deles pode limitar o crescimento da bactéria.

A utilização do substrato disponível no meio pelas bactérias se dá em função do tamanho relativo da partícula a ser utilizada. Basicamente, pode-se considerar as duas principais frações da matéria orgânica:

 Fração facilmente biodegradável  Fração de degradação lenta

Num esgoto doméstico típico, a maior parte da matéria orgânica está na forma solúvel mais facilmente degradável. Devido a diminutas dimensões dos compostos solúveis, os mesmos podem penetrar na célula bacteriana através da membrana celular. Dentro da célula, a matéria orgânica solúvel é consumida com auxilio das endoenzimas. Já os compostos orgânicos de maiores dimensões e fórmulas mais complexas devem sofrer atuação fora das células, de forma a que sejam transformados em uma forma

10

assimilável pela bactéria. Esta atuação se dá pelas exoenzimas numa reação de hidrólise. Na hidrólise não se considera a utilização de energia, não havendo, portanto a utilização de aceptores de elétrons. O produto final da hidrólise passa a se apresentar na forma facilmente biodegradável, penetrando pela membrana celular para dentro da célula, onde é consumido de forma similar a matéria solúvel (VON SPERLING, 1996b). A Figura 2 representa de forma esquemática o mecanismo de conversão da matéria particulada em matéria solúvel.

Fonte: Von Sperling (1996b)

Figura 2 - Assimilação das matérias solúveis e em suspensão.

Os requisitos ambientais das bactérias variam com a espécie. Como exemplo tem-se que as bactérias envolvidas no mecanismo da nitrificação (bactérias autrótofas quimiossintetizantes) são muito mais sensíveis as condições ambientais que as bactérias heterótrofas envolvidas na estabilização da matéria orgânica carbonácea. De maneira geral, a taxa ótima de crescimento das bactérias ocorre dentro de faixas de temperatura e pH relativamente limitadas, embora sua sobrevivência possa ocorrer dentro de faixas bem mais amplas (VON SPERLING, 1996b).

3.1.2 Protozoários

O grupo dos protozoários compreende organismos unicelulares, eucariotas, constituídos de uma pequena massa de protoplasma. A parede celular encontra-se

freqüentemente ausente. Embora não apresentem diferenciação celular, alguns possuem uma estrutura relativamente complexa, com algumas regiões diferenciadas na célula para a execução de diversas funções. A maioria é representada por organismos heterotróficos aeróbios estritos. A sua reprodução se dá por divisão binária. Os protozoários são usualmente maiores que as bactérias e podem se alimentar das mesmas. Isto faz com que os protozoários constituam-se em importantes patamares na pirâmide alimentar, possibilitando que organismos maiores se alimentem indiretamente das bactérias, que de outra forma seriam uma forma inacessível de alimento. Em função de algumas características estruturais, e principalmente do mecanismo de locomoção, os protozoários podem ser divididos em vários grupos, sendo os de principal interesse os seguintes: amebas, flagelados e ciliados.

As principais atuações dos protozoários no tratamento de esgoto são:

 Consumo de matéria orgânica, dada a sua natureza heterotrófica;  Consumo de bactérias livres e participação na formação de flocos;

Embora os protozoários contribuam para remoção da matéria orgânica dos esgotos, sua principal atuação no tratamento (por processos como lodos ativados) se dá pela atividade predatória que exercem sobre as bactérias livremente suspensas no meio liquido. Neste sentido, as bactérias que não participam do floco, mas que se encontram em suspensão no meio, não são normalmente removidas na decantação final. E assim sendo, elas contribuem para deterioração do efluente final em termos de sólidos em suspensão, matéria orgânica (das próprias bactérias) e mesmo patogênicos. A atuação dos protozoários sobre essas bactérias contribui, portanto, para a melhoria da qualidade do efluente final (VON SPERLING, 1996b).

3.1.3 Oxidação da matéria orgânica

A introdução de matéria orgânica em um corpo d’água resulta, indiretamente, no consumo de oxigênio dissolvido. Tal se deve aos processos de estabilização da matéria

orgânica realizados pelas bactérias decompositoras, as quais utilizam o oxigênio disponível no meio liquido para sua respiração.

Em termos ecológicos, a repercussão mais nociva da poluição de um corpo d’água por matéria orgânica é a queda nos níveis de oxigênio dissolvido, causada pela respiração dos microorganismos envolvidos na depuração dos esgotos. O impacto estendido a toda comunidade aquática, e cada redução nos teores de oxigênio dissolvida é seletiva para determinadas espécies.

O oxigênio dissolvido (OD) tem sido utilizado tradicionalmente para a determinação do grau de poluição e de autodepuração em cursos d’água. A sua medição é simples, e seu teor pode ser expresso em concentrações, quantificáveis e passíveis de modelagem matemática (VON SPERLING, 1996a).

A oxidação da matéria orgânica corresponde ao principal fator de consumo de oxigênio. Entretanto a oxidação da matéria orgânica ocorre em ambiente (metabolismo) anaeróbio.

O consumo de OD se deve à respiração dos microorganismos decompositores, principalmente as bactérias heterotróficas aeróbias.

A equação simplificada da oxidação matéria orgânica na presença de oxigênio é:

Matéria orgânica + O2 + bactéria CO2 + H2O + bactérias + energia Equação 1

As bactérias, na presença de oxigênio, convertem a matéria orgânica a compostos simples e inertes, como água e gás carbônico. Com isto, elas tendem a crescer e se reproduzir, gerando mais bactérias enquanto houver disponibilidade de alimento

13

(matéria orgânica) e oxigênio no meio (VON SPERLING, 1996a). Os fatores do decaimento bacteriano pode ser visualizada na Tabela 2.

Tabela 2 Fatores do decaimento bacteriano.

Fatores Físicos Luz solar (radiação ultravioleta) Temperatura

Adsorção Floculação Sedimentação

Fatores físicos químicos Efeitos osmóticos (salinidade) pH

Toxicidade química Potencial redox Fatores biológicos e bioquímicos Falta de nutrientes

Predação Competição

Fonte: Von Sperling (1996)

3.1.4 Biomassa – inoculo – lodo

A biomassa (inoculo) presente nos sistemas de tratamento biológico pode ser dividida nos seguintes grupos em termos da sua viabilidade: resíduo inerte e biomassa ativa (VON SPERLING, 1996b).

 O resíduo inerte é formado pelo decaimento do lodo envolvido no tratamento do esgoto. Esse decaimento pode se dar por diversos mecanismos, os quais incluem o metabolismo endógeno, morte, predação e outros. Como resultados são gerados produtos de degradação lenta, bem como produtos particulados, inertes ao ataque biológico.

 O inoculo ativo é aquele responsável pela degradação biológica da matéria. Em função da fonte de carbono, a biomassa pode ser dividida em heterotrófico e autotrófico.

14

Biomassa ativa heterotrófica: A fonte de carbono dos organismos heterotróficos é a

matéria orgânica carbonácea. A biomassa heterotrófica utiliza a matéria carbonácea rapidamente biodegradável (solúvel). Parte da energia associada a essas moléculas é incorporada à biomassa, enquanto que o restante é utilizado para fornecer energia para síntese. No tratamento aeróbio o crescimento da biomassa heterotrófica dá-se em condições aeróbias ou anóxicas, sendo bem baixos em condições anaeróbias. As bactérias heterotróficas utilizam o nitrogênio na forma de amônia para síntese e o nitrogênio na forma de nitrato como aceptor de elétron. O decaimento da biomassa heterotrófica gera, além do resíduo inerte, também matéria orgânica carbonácea e nitrogenada de degradação lenta. Tais necessitam sofrer posteriormente o processo de hidrolise, para que se convertam a matéria rapidamente biodegradável, a qual pode ser novamente utilizada pela biomassa heterotrófica e autotrófica.

Biomassa ativa autotrófica: A fonte de carbono dos organismos autotróficos é o gás

carbônico. A biomassa autotrófica utiliza a amônia como fonte de energia. Em condições aeróbias, estas bactérias utilizam a amônia no processo de nitrificação, em que a mesma é convertida a nitrito e em seguida a nitrato. Similarmente aos organismos heterotróficos, o decaimento da biomassa autotrófica gera, além de resíduo inerte, também matéria orgânica carbonácea e nitrogenada de degradação lenta. Tais necessitam sofrem posteriormente o processo de hidrolise, para que se convertam matéria rapidamente biodegradável, a qual pode ser novamente utilizada pela biomassa heterotrófica e autotrófica.

3.1.5 Caracterização do lodo

Conforme Von Sperling (1996b), devido ao grau de dificuldade na caracterização dos sólid so biológicos e do substrato, a unidade de massa das células microbianas é normalmente expressa em termos de sólidos em suspensão (SS), uma vez que a biomassa é constituída de sólidos que se encontram em suspensão na fase líquida do reator biológico. No entanto, nem toda massa de sólido participa da conversão do substrato orgânico, havendo uma fração inorgânica que não desempenha funções em

15

termos do tratamento biológico. Assim, a biomassa é também freqüentemente expressa em termos de sólidos em suspensão voláteis (SSV). Estes representam a fração orgânica da biomassa, já que a matéria orgânica pode ser volatizada, ou seja, convertida a gás por combustão (oxidação).

As concentrações de SSV no lodo dos reatores têm sido utilizadas para estimar a concentração dos microorganismos decompositores da matéria orgânica. A fração de sólido pode ser relacionada e produzir informação importante, como é o caso da relação SSV/SS, que representa o grau de mineralização do lodo.

Assim, os sólidos em suspensão voláteis podem ser ainda divididos em uma fração ativa e uma fração não ativa. A fração ativa é a que tem real participação na estabilização do substrato. A principal limitação à utilização dos sólidos ativos no projeto e controle operacional de uma estação relaciona-se à dificuldade da sua medição. Existem processos indiretos, baseados em DNA, ATP, proteínas e outros, mas nenhum se compara à simplicidade da determinação direta dos sólidos em suspensão voláteis.

3.1.6 Sistema de tratamento de efluente por lodo ativado

Existem diversas variantes no processo de lodo ativado, dentre elas estão a idade do lodo, o tipo de fluxo (continuo ou batelada) e a origem do efluente a ser tratado no reator (e etapas antecedentes). No reator ocorrem as reações bioquímicas de remoção a matéria orgânica e, em determinadas condições, da matéria nitrogenada. A biomassa se utiliza do substrato presente no esgoto para se desenvolver (VON SPERLIN

d

G, 1997).

No reator aerado ocorrem reações bioquímicas de remoção da matéria orgânica e, em determinadas condições, de nitrogênio e de fósforo (VON SPERLING, 1997). A biomassa se utiliza do substrato presente no esgoto afluente para se desenvolver. Parte dos sólidos sedimentados no fundo do reator permanece ou em caso de fluxo continuo

16

tração de sólidos em suspensão no tanque e aeração é bastante elevada. Nestes, o tempo de detenção do líquido (tempo de

, a qual é definida como a lação entre a quantidade de lodo biológico existente no reator e a quantidade de lodo

antos (2005) mostraram que reatores em batelada sequenciais podem ser operados

com i de DBO e

diferença do sistema de lodos ativados de aeração prolongada (fluxo continuo) para

e todas as etapas de tratamento do esgoto ocorrem dentro do reator. Estas passam a se recircula no sistema, a fim de se manter uma desejada concentração de biomassa no mesmo, a qual é responsável pela elevada eficiência do sistema.

Em virtude da recirculação do lodo, a concen d

detenção hidráulica) é baixo, da ordem de horas, implicando em que o volume do reator seja bem reduzido. No entanto, devido à recirculação dos sólidos, estes permanecem no sistema por um tempo superior ao do líquido. O tempo de retenção dos sólidos é denominado tempo de retenção celular ou idade do lodo

re

biológico removida do sistema de lodos ativados por dia. É esta maior permanência dos sólidos no sistema que garante a elevada eficiência dos sistemas de lodos ativados, já que a biomassa tem tempo suficiente para metabolizar praticamente toda a matéria orgânica dos esgotos.

No Brasil, adota-se a idade de lodo na faixa de 4 a 10 dias para sistemas de lodo ativado convencional. Porém, pesquisas realizadas por Callado e Foresti (2002) e S

dades de lodo maiores mantendo-se alta eficiência na remoção

nutrientes, isto porque a idade do lodo depende da natureza do efluente bruto e das condições operacionais do sistema de tratamento. Ainda segundo Santos et al (2005), o reator operado em bateladas sequenciais é capaz de suportar variações na concentração de sólidos suspensos voláteis, na composição do esgoto bruto e na taxa de consumo de oxigênio sob diferentes idades do lodo sem comprometer a qualidade do efluente final.

A

o sistema convencional é que a biomassa permanece mais tempo no reator (18 a 30 dias), porém continua recebendo a mesma carga de DBO.

17

. Um sistema de lodos ativados fluxo intermitente possui ciclos bem definidos de operação. São

ão de patógenos (tratamento terciário).

e do material em suspensão provoca a ausência de luz, evitando o desenvolvimento de algas. Com relação à microbiota, encontram-se normalmente ser sequências no tempo e não mais unidades distintas. A biomassa permanece no tanque e não havendo necessidade de sistema de recirculação de lodo

estes: enchimento, reação, sedimentação, esvaziamento e repouso. Em sistemas que recebem esgotos de forma contínua, como por exemplo as estações que recebem esgotos domésticos, há a necessidade de ser ter mais de um tanque de aeração trabalhando em paralelo. Pois um tanque que esta no ciclo de decantação não pode estar recebendo esgotos e para isso deve haver um outro tanque que esteja no ciclo de enchimento. Este sistema pode funcionar tanto como um de lodos ativados convencional como um de aeração prolongada (VON SPERLING, 1997).

Ainda em algumas instalações, o efluente após tratamento secundário, passa por algum processo de filtração granular ou desinfecção, para remoção de material não sedimentável e destruiç

3.1.7 Microbiologia de lodos ativados

A biomassa pode ser composta por diversos tipos e espécies de microorganismos como: protozoários, bactérias, fungos, leveduras e micrometazoários (CETESB, 1989 apud COLETTI, 1997).

Em sistemas de lodos ativados apenas a microfauna é encontrada, pois a turbulência, em razão da aeração, não permite o desenvolvimento de organismos maiores. A turbidez decorrent

vários tipos de bactérias e, as vezes, fungos e leveduras. Representando a microfauna encontram-se protozoários e micrometazoários (rotíferos e pequenos vermes) (CETESB, 1989 apud COLETTI, 1997).

As bactérias são os organismos de maior importância, uma vez que são elas as maiores responsáveis pela estabilização da matéria orgânica e pela formação de flocos,

18

r uma espécie ou grupo, e quase sempre indicação de desequilíbrio trófico, proporcionada pela

que devido a descarga xica, subcarga ou sobrecarga, forte descarte de lodo e insuficiência na aeração

(M ganismos dos diversos gêneros

representantes da microfauna, frequentemente encontrados no processo de lodo tivado.

por meio da conversão da matéria orgânica biodegradável em novo material celular, C02, água, e outros produtos inertes. Os fungos são elementos indesejáveis ao tratamento, pois dificultam a boa formação do floco, tendo em geral, forma filamentosa. Os protozoários não contribuem diretamente para a estabilização da matéria orgânica, assim como os rotíferos; estes quase não existem no processo de lodos ativados, mas já aprecem na modalidade de aeração prolongada (JORDAO e PESSOA, 1995)

A microfauna de um sistema de lodos ativados em operação normal é quase sempre bastante diversificada, sendo composta por diferentes grupos de organismos, onde cada um possui varias espécies. Quando uma microfauna é dominada po

existência de fatores limitantes que impedem o desenvolvimento da maioria das outras espécies favorecendo o crescimento de formas mais tolerantes a tais fatores. Os fatores limitantes comuns são geralmente a presença de carga de che

tó

ADONI, 1994). Na Tabela 3, estão agrupados os or

19

Ciliados pedunculados Vorticella, Charchesium e as suctórias Acineta e Podophrya

Tabela 3 Agrupamento de organismos de diversos gêneros presentes nos sistemas de

lodos ativados

Classe ciliada - protozoários

Ciliados livre-natantes Paramecium, Colpidium, Litonotus, Trachelophyllum, Amphileptus, Chilodonella

Ciliados livres, predadores do floco Aspidisca, Euplotes, Stylonychia, Oxytricha

Classe Mastigophora - flagelados Bodo, Cercobodo, Mona sp., Oicomona sp., Euglena sp., Cercomona sp., Peranema

Classe Sarcodina - amebas Amoeba, Arcella, Actinophrys, Vahlkampfi,

Astramoeba, Diffugia, Cochiopodium

Classe Rotífera – rotíferos Philodina, Rotária, Epiphanes

Classe Nematoda-nematóides Rhabditis

Classe Filo Anelida- anelídeos Aelosoma

20

ara produzir seus efeitos característicos, um fármaco deve estar presente em em seus locais de ação. Embora sejam evidentemente tidade de subs

tivo, não ligado (livre) obtida tam ém dependem da extensão e da taxa de sua ição (que ref

lasmáticas e teciduais), seu metabolismo (biotransformação) e sua excreção

a de sa

extensão em que isso ocorre. No é o parâmetro

, em bsorção. Biodisponibilidade é um termo

o em ão de uma dose de um fármaco alcança

ção ou um liquido biológico a partir do qual o fármaco tem acesso ao eu local de ação.

pós absorção ou administração na circulação sistêmica, o fármaco se distribui nos íquidos intersticial e intracelular, processo que reflete diversos fatores fisiológicos e ropriedades físico-químicas especificas de cada fármaco. Processo este conhecido omo farmacodinâmica. Esses fatores de distribuição são representados na Figura 3.

s fármacos são eliminados do corpo inalterados pelo processo de excreção ou onvertidos em metabolitos. O rim é o órgão mais importante para excreção de rmacos e seus metabolitos. As substancias excretadas nas fezes são principalmente

macos não absorvidos, ingeridos por via oral ou metabolitos excretados na bile ou ecretados diretamente para o trato intestinal e, subsequentemente, não absorvidos. GOODMAN e GILMAN, 2005).

3.2 Fármacos

P

concentrações apropriadas

proporcionais à quan tância administrada, as concentrações de fármaco

a b

absorção, sua distribu lete principalmente a ligação relativas as proteínas p

(GOODMAN e GILMAN, 2005).

A absorção descreve a tax ída do fármaco de seu local de administração e a entanto, a principal preocupação

denominado biodisponibilidade vez da a utilizado para indicar a extensã que a fraç o seu local de a s A l p c O c fá fár s (

21

produção dos mesmos em 2011 em uma indústria farmacêutica

o pela Food and Drug Administration dos Estados Unidos da América (FDA), o levamisol (cloridrato de), é um pó cristalino branco ou quase branco. Totalmente solúvel em água, solúvel em álcool, pouco solúvel em cloreto de metileno, praticamente insolúvel em éter. As principais características físico-químicas do Levamisol podem ser visualizadas na Tabela 4.

Figura 3 - Representação esquemática das inter-relações entre absorção, distribuição, ligação, metabolismo e excreção de um fármaco em seu local de ação.

Fonte: Goodman e Gilman (2005)

Os fármacos foram selecionados após analise da programação de produção no ano de 2012 e estudo da

veterinária, escolhidos pela alta freqüência de lotes produzidos, bem como volume em litros e seus efeitos quimioterapicos impactantes sobre microorganismos.

3.2.1 Levamisol

O Levamisol é um fármaco imunoestimulante e anti-helmíntico, derivado sintético do tretamisol, descoberto pela Janssen Farmacêutica em 1966 (GOODMAN e GILMAN , 2005).

Segundo o guia de fármacos e seus processos da United States Pharmacopeial Convention, Inc. (USP), aprovad

Receptores locais de ação (fármacos ligados e livres)

Reservatórios teciduais (fármacos ligados e livres)

Circulação sistemica

(fármaco ligado e livre) Excreção

Biotransformação Absorção

22

abela 4 Principais características do Levamisol

mero CAS 14769-73-4 11H12N2S T Nú C Molécula

Propriedades Físicas Valor Unidade Temp º C

eso molecular 204,29 g/mol

(octanol-água) 1,84 (admensional)

olubilidade em água 1120 mg/L 25

ressão de Vapor 1,11E-04 mm Hg 25

onstante de Lei de Henry 4,03E-10 atm-m³/mol 25

DQO 1mg/L 2,98 mg/DQO L-¹ P log P S P C F

ara Silva (2006) algumas características da farmacocinética e farmacodinâmica são:

os atingindo concentrações séricas máximas após uma a duas horas da administração oral.

a plasmática de 4h sendo eliminado rapidamente do organismo.  Excreção: Urina, fezes e trato respiratório.

pedem a conversão de furamato em succinato causando a paralisia do verme.  Efeitos: Possui efeito paralisante específico para os nematóides não

ou imunodeficiência. Sofre

onte: Toxicology Data Network, 2012

P

 Vias de administração: Oral e intravenosa.

 Absorção no organismo: Rapidamente absorvida pelo trato gastrointestinal.  Distribuição no organismo: Distribui-se por vários tecid

Possui meia-vid

 Local e mecanismo de ação: O mecanismo de ação do fármaco se dá pela inibição seletiva da atividade enzimática no músculo do parasita. Os fármacos im

causando alterações no metabolismo dos mamíferos

Embora seja um anti-helmíntico, o levamisol pode aumentar o efeito protetor de algumas vacinas e a remissão tumoral. É estimulante da imunidade mediada por linfócitos T que, além disso, normaliza a função dos leucócitos polimorfonucleares, linfócitos e fagócitos caso haja previamente imunodepressão

23

litos são eliminados pelos rins e uma ) pelas fezes. (SOUSA et al., 2005).

es sobre os aspectos de distribuição e contaminação ambiental bem como formações ecotoxicológicas deste fármaco não foi possível de ser verificar em bases e dados disponível da literatura científica.

3.2.2 Sulfadiazina

intensa biotransformação hepática e seus metabó pequena fração (5%

Informaçõ in

d

A Sulfadiazina é um quimioterápico antibacteriano, pertence a um grupo de antibióticos chamados os sulfonamidas.

Segundo Goodman e Gilman, 2005, as sulfonamidas foram os primeiros agentes quimioterápicos eficazes a serem utilizados por via sistêmica na prevenção e na cura de infecções bacterianas em seres humanos. A considerável importância de sua descoberta para medicina e a saúde e sua ampla utilização subseqüente refletiram-se rapidamente no acentuado declínio observado nos índices de morbilidade e mortalidade das doenças infecciosas tratáveis.

O advento da penicilina e, posteriormente, de outros antibióticos diminuiu a utilidade das sulfonamidas, de modo que, no momento ocupam um lugar pequeno no uso terapêutico humano. Entretanto, a introdução da combinação de trimetropim e sulfametoxazol, em meados da década de 70, resultou na maior utilização das sulfonamidas na profilaxia e/ou no tratamento de infecções microbianas especificas.

As sulfonamidas possuem ampla faixa de atividade antimicrobiana contra bactérias Gram-positivas e Gram-negativas. Entretanto, nos últimos anos, tornou-se comum o desenvolvimento de cepas resistentes, de modo que a utilidade desses fármacos declinou correspondentemente. Em geral, a sulfonamidas só exercem efeito bacteriostático, e os mecanismos de defesa celular e humoral do hospedeiro são indispensáveis para a erradicação final da infecção (GOODMAN e GILMAN, 2005).

24

Administration dos Estados

em meio acido, em soluções de potássio e idróxidos de sódio e amônia. Parcialmente solúvel em álcool e acetona, pouco solúvel e insolúvel em água. As principais características físico-odem ser visualizadas na Tabela 5.

ticas da Sulfadiazina

Segundo o guia de fármacos e seus processos da United States Pharmacopeial Convention, Inc. (USP), aprovado pela Food and Drug

Unidos da América (FDA), a sulfadiazina é um pó branco, ou levemente amarelo, sem odor e estável na temperatura e pressão padrão. Ao ter exposição da luz, alteração de cor pode ser observada. Totalmente solúvel

h

em sangue humano a 37ºC uímicas do Sulfadiazina p q

Tabela 5 Principais caracterís

Número CAS 68-35-9

C10H10N4O2S

Molécula

Propriedades Físicas Valor Unidade Temp º C

Peso molecular 250,278 g/mol

Ponto de fusão 255,5 ºC

pKa Constante de dissociação 6,36 (admensional)

log P (octanol-água) -0,09 (admensional)

Solubilidade em água 77 mg/L 25

Pressão de vapor 4,31E-08 mm Hg 25

Constante de Lei de Henry 1,58E-10 atm-m³/mol 25

DQO 1mg/L 2,50 mg.DQO L-¹

Fonte: Toxicology Data Network, 2012

Para Goodman e Gilman, 2005 algumas características da farmacocinética e farmacodinâmica são:

 Via de administração: Via oral.

 Absorção no organismo: Sofre rápida absorção pelo trato

grastrintestinal, com obtenção de concentrações sangüíneas máximas de 3-6 horas após administração de uma dose única.

 Excreção: São eliminadas do organismo em parte na forma de fármaco

inalterado e em parte como produtos metabolitos. É facilmente excretada pelos rins tanto na forma livre quanto na acetilada, rapidamente no inicio e, a seguir, mais lentamente no decorrer de um período de dois a três dias.

 Mecanismo de ação e efeitos: Para crescer e multiplicar, as células

bacterianas necessita produzir o material genético (DNA) com a produção de ácido fólico (folato). As sulfonamidas são análogos estruturais e antagonistas competitivos do acido para-aminobenzoico (PABA), impedindo assim sua utilização normal pelas bactérias para síntese de acido fólico. As células bacterianas não podem utilizar o ácido fólico fornecidos pela dieta. Assim, a sulfadiazina funciona impedindo a utilização do folato, impedindo sua multiplicação e propagação da infecção (Health Magazines UK, 2012).

3.2.3 Aspectos ambientais e ecotoxicológicos

Exposição humana: a exposição humana da sulfadiazina ocorre de duas maneiras: pela exposição ocupacional por inalação e contato dermal e, segundo os dados de vigilância a população em geral pode ser exposta a sulfadiazina por meio da ing stão e de alimentos, água potável e, ingestão de medicamentos contendo sulfadiazina. (CDC, 2013).

Disposição ambiental: a produção e utilização da sulfadiazina como um antibiótico de

uso humano e veterinário pode resultar em sua libertação para o meio ambiente através de vários fluxos de resíduos. Ambiente terrestre: pelas características físico-químicas desta molécula, é esperado que a sulfadiazina apresente grande mobilidade no solo e baixa volatilização. Uma vez exposta nesta matiz ambiental, assim como outros agentes antimicrobianos a sulfadiazina não são facilmente biodegradadas e persisti em solos. (BOREEN et al., 2004; MEYLAN et al., 1991; BIALK et al., 2005).

26

Ambiente aquático: uma vez exposta no ambiente aquático a sulfadiazina não é

adsorvida pelos sólidos suspensos nem pelo sedimento. Geralmente os agentes antimicrobianos como a sulfadiazina não são facilmente biodegradadas neste ambiente. As sulfadiazinas podem persistir na massa líquida por até 20 dias (meia-vida), e o processo de hidrólise não é esperado. A sulfadiazina geralmente eliminada da matrix aquática por processo de fotodegradação sendo esta uma importante etapa na sua redução ambiental. (MEYLAN et al., 1991; FRANKE et al., 1994; MEYLAN et al., 1999; BIALK et al., 2005; LAM et al., 2004).

Biodegradação ambiental: sistema aeróbio - Em geral, antibióticos como as

sulfadiazinas não são facilmente biodegradados e podem persistir nos solos e água. BIALK et al. (2005). Em ensaios realizados por Al-Ahmad et al. (1999) utilizando testes de frascos fechados e um inóculo de lodo de esgoto não foi observada sua degradação, indicando que este composto não é removido em tratamento de esgotos. Em outro estudo realizado por Boxall et al. (2004) foi verificado por meio do teste OECD 301 D que a sulfadiazina não apresentou ser biodegradável em 40 dias.

Bioconcentração ambiental: em ensaios realizados com peixe e pela sua

classificação química a sulfadiazina apresenta um fator de bioacumulação 3 sugerindo que seu potencial de bioacumulação em organismos aquáticos é baixa. (MEYLAN et al., 1999; FRANKE et al., 1994).

Concentração em águas: conforme reportado por Stackelberg et al. (2004) a

sulfadiazina não é encontrada na água final de plantas de tratamento de água convencional. Neste trabalho foi avaliada a presença desta substância em uma planta para o atendimento de 850.000 pessoas e uma vazão de 2,34m3/s. Águas superficiais: vários trabalhos citados na literatura científica apontam a presença desta substância em águas superficiais em várias regiões do mundo. As concentrações são variadas e sua detecção está na ordem de 0,05 a 1,9 µg L-1. (KOLPIN et al., 2002; KOLPIN et al., 2004;

27

HALLING-SORENSEN et al., 1998; STAN et al., 1997; DEBSKA et al., 2004; FERRARI et al., 2004; RICHARDSON et al., 1985).

Efluentes: o mesmo se aplica para os efluentes gerados em estações de tratamento de

esgoto onde as concentrações são variadas e diferentes conforme os países analisados. As concentrações variam de 2,0 a 0,05 µg L-1. (ANDDREOZZI et al., 2003; MIAO et al., 2004; TERNES, 2001; BARNES et al., 2004, FERRARI et al., 2004).

3.2.4 Trimetropim

O trimetropim é um dos agentes mais ativos que exercem efeito sinérgico com uma sulfonamida. Os microorganismos Gram-negativos e Gram-positivos são em sua maioria sensíveis ao trimetropim; todavia, pode se verificar o desenvolvimento de resistência quando o fármaco é utilizado isoladamente.

Segundo o guia de fármacos e seus processos da United States Pharmacopeial onvention, Inc. (USP), aprovado pela Food and Drug Administration dos Estados

camente insolúvel em éter e em tetracloreto de carbono. s principais características físico-químicas do Trimetropim podem ser visualizadas na C

Unidos da América (FDA), o trimetropim tem sua coloração branco a cor de creme, cristais inodoros, ou pó cristalino. Solúvel em álcool benzílico; moderadamente solúvel em clorofórmio e em metanol; ligeiramente solúvel em álcool e em acetona; muito pouco solúvel em água; prati

A

28

Tabela 6 Principais características do Trimetropim.

Número CAS 738-70-5

C H N O14 18 4 3

olécula M

Propriedades físicas Valor Unidade Temp. ºC

Peso molecular 290 g/mol

Pont

log P (octanol-água) o de fusão

pKa Constante de dissociação

199-203 0,91 7,12 ºC (admensional) (admensional) 20 400 mg/L 25 9,88E-09 mm Hg 25

onstante de Lei de Henry 2,39E-14 atm-m³/mole 25 Solubilidade em água

ressão de vapor P

C

DQO 1mg/L 2,53 mg.DQO L-¹

Fonte: Toxicology Data Network, 2012

Para Goodman e Gilman, 2005 algumas características da farmacocinética e rmacodinâmica são:

fa

 Via de administração: via oral.

 Excreção: Cerca de 60% do trimetropim administrado é excretado na

urina em 24 horas, assim como seus metabolitos.

 Absorção no organismo: É absorvido pelo trato grastrintestinal, com

obtenção de concentrações sangüíneas máximas em 2 horas após administração de uma dose única.

 Mecanismo de ação: poderoso inibidor competitivo seletivo da diidrofolato

redutase microbiana, a enzima que reduz o diidrofolato em tetraidrofolato. Essa forma reduzida do acido fólico é necessária para as reações de transferência de um carbono. Por conseguinte, a administração simultânea de sulfonamida e trimetropim induz bloqueios seqüenciais na via de síntese do tetraidrofolato do microorganismo, a partir de moléculas precursoras. A expectativa de que essa combinação poderia produzir efeitos antimicrobianos sinérgicos foi comprovada tanto in situ quanto in vivo.

29

icos 3.2.4.1 Aspectos ambientais e ecotoxicológ

Exposição humana: a exposição humana do trimetropim ocorre de duas maneiras:

pela exposição ocupacional por inalação e contato dermal e, segundo s dados de o vigilância a população em geral pode ser exposta ao trimetropim por meio a ingestão d de medicamentos contendo trimetropim. (CDC, 2013).

Disposição ambiental: a produção e utilização do trim tropim coe mo um antibiótico de uso humano e veterinário pode resultar em sua liberação para o meio ambiente através de vários fluxos de resíduos. Ambiente terrestr : pele as características físico-químicas desta molécula, é esperado que o trimetropim apresente grande mobilidade no solo e baixa volatilização. Uma vez exposto nesta matiz ambiental, é esperado que o seja biodegradado lentamente (meia vida), cerca de 100 dias sob condições a aeróbias ou n aeróbias no sedimento. (HEKTOEN et al., 1995; PERRIN, 1965; MEYLAN, 1991).

Ambiente aquático: uma vez exposto no ambiente aquático o trimetropim não é

adsorvido pelos sólidos suspensos nem pelo sedimento. Experimentos indicaram que o trimetropim não é facilmente biodegradado neste ambiente. O trimetropim geralmente eliminado da matrix aquática por processo de fotodegradação sendo esta uma importante etapa na sua redução ambiental.

(HANSCH et al., 1995; FJELDE, 1993; MEYLAN, et al., 1999).

Biodegradação ambiental: Quando incorporado em sedimentos com profundidade de

6 a 7 cm, sua biodegradação pode ser persistente, com uma meia vida aproximada de 100 dias. A meia vida em sedimentos de superfície são cerca de 75 dias (HEKTOEN et al., 1995). Verificou-se ser estável na água do mar, durante 20 semanas, quando exposto a UV (FJELDE, 1993).

Bioconcentração ambiental: em ensaios realizados com peixe e pela sua

30

que seu potencial de bioacumulação em organismos aquáticos é baixa. (MEYLAN et al., 1999; FRANKE et al., 1994).

Concentração em águas: conforme reportado por Hirsch et al. (1999)o trimetropim foi detectado em 10 de 52 corpos de água amostrados na Alemanha, com uma concentração máxima de 0,20 µg L-1. Nos Estados Unidos, uma pesquisa geológica conduzida entre 1999 a 2000, em mais de 139 lançamentos, mostrou detecção do trimetropim em pelo menos 27, 4% das amostras (KOLPIN et al., 2002). Águas superficiais: No estudo de Hirsch et al. (1999) não foi detectado a presença do trimetropim em 59 amostras de água subterrânea coletadas na Alemanha.

Efluentes: segundo Hirsch et al. (1999) foi detectado em 9 de 10 ETE na Alemanha,

31

4.1 Fármacos

própria linha e águas residuárias da empresa.

Para os ensaios propostos neste trabalho foram utilizados dois tipos de biomassas resentes em sistema de lodos ativados, a fim de se avaliar o efeito dos produtos uímicos em diferentes condições de operação. O primeiro foi o lodo ativado ondicionado proveniente do sistema de tratamento industrial identificado como (LIND)

dos pela indústria de fabricação de medicamentos veterinários e o segundo roveniente de um sistema de tratamento de esgoto municipal identificado como LDOM) proveniente de uma planta de tratamento – ETE-Samambaia (Sanasa), ambas

calizadas no município de Campinas/ São Paulo.

4.3 Branco

este preparado de forma idêntica as amostras de cada experimento, sem adição dos fármacos, substâncias de referência ou inibidoras. O branco é uma estrutura do experimento, fiel ao da metodologia, para controle e melhor interpretação dos resultados obtidos nas outras amostras estudadas.

4. Materiais e Métodos

Todos os fármacos estudados neste trabalho foram cedidos por empresa de fabricação de medicamentos veterinários da região de Campinas, em grau de pureza analítica maior que 99% representados por: Cloridrato de levamisol, Trimetropim e Sulfadiazina. As concentrações utilizadas dos fármacos no presente estudo foram estipuladas segundo informações da literatura científica da presença destes compostos em corpos d´água como também estimadas por meio de análises cromatográficas da

d 4.2 Inóculo p q c cedi p ( lo

32

4.4 Ensaios de biodegradabilidade

ensaios propostos, as metodologias utilizadas foram obtidas da

a, efeitos ambientais, e da degradação e acúmulo mbiental.

rau de degradação e os efeitos das substâncias (fármacos) na

PHA (2005) onde foram avaliados: xigênio dissolvido (OD): Método 4500-O; temperatura: Método 2550; pH: Método 4500-H; demanda química de oxigênio (DQO): Método 5220-D, série de sólidos (SST e

-B-G; índice volumétrico de lodo (IVL): Método 2710-D. Para a r alização dose

OECD (Organisation for Economic Co-operation and Development).

As diretrizes da OECD propõem métodos de ensaios de substâncias químicas, internacionalmente reconhecidos os quais são adotados por laboratórios governamentais e particulares, indústrias, universidades e diversas outras entidades. As metodologias cobrem os testes para as propriedades físico-químicas de produtos químicos, efeitos na saúde human

a

Para determinar o g

biomassa originária das estações de tratamento de esgoto, foram selecionados os ensaios mencionados abaixo:

 Ensaio 209 (2010) OECD - Teste de inibição de respiração;

 Ensaio 303 (2001) OECD - Teste de simulação de tratamento em lodo aerado. Juntamente com o Ensaio 303 foram utilizadas análises complementares seguindo os procedimentos propostos pelo Standard Methods A

o

SSV): Método 2540

Ensaios de concentração da substância no efluente (avaliação por cromatografia) e toxicidade da substância (ensaio com Vibrio fischeri - Microtox®) foram realizados a partir das amostras coletadas no ensaio 303.

33

.5 Metodologia OECD 209/2010 - Lodo ativado – teste de inibição de

edindo sua taxa de spiração sob condições definidas na presença de diferentes concentrações da

axa de consumo de O2

4

respiração.

A metodologia descreve o teste para determinar os efeitos de substâncias em estudo nos microorganismos presentes no lodo em tratamento de esgoto, m

re

substância teste. O propósito do teste é providenciar uma rápida imagem dos efeitos da substancia teste aos microrganismos da biomassa em estudo.

Para determinação dos resultados, é necessária a aplicação das equações descritas na metodologia, conforme abaixo:

T

R

Onde:

Q1 – Concentração de Oxigênio lida no inicio do experimento (mg/L) Q2 – Concentração de Oxigênio lida no fim do experimento (mg/L) ∆t – intervalo de tempo usado (minutos)

Taxa de respiração especifica

Rs

Onde:

R – Taxa de consumo de O2

SS – Sólidos Suspensos (concentração mg/L)

Percentual de inibição total

Equação 4

1

RT

RTA

RTB